Il cervello si muove a ogni battito cardiaco

I ricercatori dello Stevens Institute of Technology e dell’Università di Auckland hanno sviluppato una tecnica di imaging che cattura il cervello in movimento, in tempo reale, fornendo uno strumento diagnostico promettente e a lungo atteso per la cattura di condizioni difficili da individuare come commozioni cerebrali e aneurismi – prima che diventino in pericolo di vita.
“È una prova di concetto”, afferma Mehmet Kurt, autore coproduttore e ingegnere biomeccanico presso Stevens. “Volevamo vedere se potevamo amplificare i piccoli movimenti del cervello con ogni battito cardiaco e catturare quel movimento come avviene naturalmente. Questo è importante quando stai cercando di fare ciò che stiamo cercando di fare: rilevare i movimenti anormali nel cervello per diagnosticare e monitorare i disturbi”.
Il cervello si muove leggermente a ogni battito cardiaco, ma questi movimenti sono minuscoli: nell’ordine di dieci a 150 micrometri, meno della larghezza di un singolo capello umano. Poiché questi movimenti sono così piccoli, le tecniche di risonanza magnetica standard hanno difficoltà a catturarle e visualizzarle bene.
La nuova tecnica, che sarà riportato in “Magnetic Resonance in Medicine”, è stato originariamente sviluppato da Samantha Holdsworth e Mahdi Salmani Rahimi mentre loro e Kurt erano a Stanford, dove hanno anche lavorato con Itamar Terem. Lì, Holdsworth e il suo team hanno sviluppato le basi per una tecnica chiamata risonanza magnetica amplificata. Negli ultimi due anni, il team ha messo a punto la tecnica, chiamata risonanza magnetica amplificata basata su fasi, per dimostrare che può essere utilizzata per il beneficio diagnostico.
Kurt e Holdsworth hanno attaccato un pulsometro a soggetti sani e coordinato i tempi del battito cardiaco con le immagini del cervello e unito le sezioni per creare un movimento fluido. Il team ha quindi adattato un algoritmo originariamente sviluppato al Massachusetts Institute of Technology per amplificare il movimento nei video del mondo reale, ai movimenti simili a pistoni del sangue e del fluido spinale che scorre nel cervello. Ciò consente di amplificare il movimento del cervello in una scala più visibile.
Le immagini video risultanti, ricostruite sezione per sezione, mantengono le caratteristiche spaziali di una risonanza magnetica – il cranio e tutte le caratteristiche anatomiche sono visualizzate alla scala reale – mentre ingrandiscono il movimento pulsato in modo significativo mentre si animano.
“Puoi effettivamente catturare l’intera testa ‘annuendo’ nello scanner a causa della forza del sangue che pompa nel cervello ogni volta che il cuore batte”, dice Holdsworth, un fisico medico che è ora all’Università di Auckland e co-lead autore senior.
Kurt e Holdsworth, insieme a Terem, hanno trovato una risonanza magnetica basata sulla fase per produrre meno errori e dare una migliore visibilità rispetto al metodo originale, in particolare le aree del cervello che si muovono di più, come il mid-brain e il midollo spinale, che aiuta a ritrasmettere sensoriali informazione al cervello. La tecnica rileva anche il movimento in aree resistenti al movimento come la corteccia frontale, che è importante per la pianificazione, il ragionamento e il giudizio.
Il team ha applicato la tecnica su due soggetti, un controllo e un paziente con malformazione di Chiari I. La condizione, presente alla nascita, può causare molti sintomi, tra cui mal di testa o rigidità al collo, a causa di malformazioni alla base del cranio e della parte superiore area spinale. A differenza del controllo, le immagini video del paziente mostravano movimenti cerebrali significativamente più grandi in almeno due posizioni.
Kurt e Holdsworth continueranno ad applicare la tecnologia in ambito clinico a un numero maggiore di pazienti con diagnosi mediche note di varie condizioni, come commozione cerebrale, aneurisma e anomalie strutturali del cervello.
“Una migliore visualizzazione e comprensione delle proprietà biomeccaniche del cervello potrebbe portare a una diagnosi precoce e al monitoraggio dei disturbi cerebrali”, afferma Kurt, noto anche per il suo lavoro sulle commozioni cerebrali a Stevens. “Potrebbe anche aiutare con la prevenzione, in quanto potrebbe portare alla progettazione di caschi migliori per lo sport e la ricreazione”.